Environnement micro-g -Micro-g environment

La Station spatiale internationale en orbite autour de la Terre , février 2010. L'ISS est dans un environnement micro-g .

Le terme environnement micro-g (également μg , souvent désigné par le terme microgravité ) est plus ou moins synonyme des termes apesanteur et zéro-g , mais soulignant que les forces g ne sont jamais exactement nulles, juste très petites (sur l' ISS , par exemple, les petites forces g proviennent des effets de marée , de la gravité d'objets autres que la Terre, tels que les astronautes, le vaisseau spatial et le Soleil , de la résistance de l'air et des mouvements des astronautes qui donnent de l' élan à la station spatiale). Le symbole de la microgravité, μg , était utilisé sur les insignes deVols de la navette spatiale STS-87 et STS-107 , car ces vols étaient consacrés à la recherche en microgravité en orbite terrestre basse .

L'environnement de microgravité le plus connu se trouve à bord de la Station spatiale internationale (ISS) qui est située en orbite terrestre basse à une altitude d'environ 400 km, en orbite autour de la Terre environ 15 fois par jour dans ce qui est considéré comme une chute libre .

Les effets de la chute libre permettent également la création d'environnements de microgravité de courte durée sur Terre. Ceci est accompli en utilisant des tubes tombants , des vols paraboliques et des machines de positionnement aléatoire (RPM).

Absence de gravité

Un environnement micro-g "stationnaire" nécessiterait de voyager suffisamment loin dans l'espace lointain pour réduire l'effet de la gravité par atténuation à presque zéro. Ceci est simple dans sa conception mais nécessite de parcourir une très grande distance, ce qui le rend très peu pratique. Par exemple, pour réduire la gravité de la Terre d'un facteur d'un million, il faut être à une distance de 6 millions de kilomètres de la Terre, mais pour réduire la gravité du Soleil à ce point, il faut être à une distance distance de 3,7 milliards de kilomètres. (Sur Terre, la gravité due au reste de la Voie lactée est déjà atténuée d'un facteur supérieur à un million, nous n'avons donc pas besoin de nous éloigner davantage de son centre .) Ce n'est pas impossible, mais cela n'a été réalisé qu'ainsi de loin par quatre sondes interstellaires : ( Voyager 1 et 2 du programme Voyager , et Pioneer 10 et 11 du programme Pioneer .) A la vitesse de la lumière , il faudrait environ trois heures et demie pour atteindre cet environnement de microgravité (un région de l'espace où l'accélération due à la gravité est un millionième de celle subie à la surface de la Terre). Cependant, pour réduire la gravité à un millième de celle de la surface de la Terre, il suffit d'être à une distance de 200 000 km.

Emplacement La gravité due à Total
Terre Soleil reste de la voie lactée
la surface de la terre 9,81 m/s 2 6 mm/s 2 200 pm/s 2 = 6 mm/s/an 9,81 m/s 2
Orbite terrestre basse 9 m/s 2 6 mm/s 2 200 h/s 2 9 m/s 2
200 000 km de la Terre 10 mm/s 2 6 mm/s 2 200 h/s 2 jusqu'à 12 mm/s 2
6 × 10 6  km de la Terre 10 μm/s 2 6 mm/s 2 200 h/s 2 6 mm/s 2
3,7 × 10 9  km de la Terre 29 h/s 2 10 μm/s 2 200 h/s 2 10 μm/s 2
Voyageur 1 (17 × 10 9  km de la Terre) 13h/s 2 500 nm/s 2 200 h/s 2 500 nm/s 2
0,1 année-lumière de la Terre 400 am/s 2 200 h/s 2 200 h/s 2 jusqu'à 400 pm/s 2

A une distance relativement proche de la Terre (moins de 3000 km), la gravité n'est que légèrement réduite. Lorsqu'un objet orbite autour d'un corps tel que la Terre, la gravité attire toujours des objets vers la Terre et l'objet est accéléré vers le bas à près de 1 g. Parce que les objets se déplacent généralement latéralement par rapport à la surface à des vitesses aussi immenses, l'objet ne perdra pas d'altitude à cause de la courbure de la Terre. Vus d'un observateur en orbite, d'autres objets proches dans l'espace semblent flotter parce que tout est attiré vers la Terre à la même vitesse, mais avancent également lorsque la surface de la Terre "tombe" en dessous. Tous ces objets sont en chute libre , pas en apesanteur.

Comparez le potentiel gravitationnel à certains de ces endroits .

Chute libre

Ce qui reste est un environnement micro-g se déplaçant en chute libre , c'est-à-dire qu'il n'y a pas de forces autres que la gravité agissant sur les personnes ou les objets dans cet environnement. Pour éviter que la traînée d'air ne rende la chute libre moins parfaite, les objets et les personnes peuvent chuter librement dans une capsule qui elle-même, bien que pas nécessairement en chute libre, est accélérée comme en chute libre. Cela peut être fait en appliquant une force pour compenser la traînée d' air . Alternativement, la chute libre peut être effectuée dans l'espace, ou dans une tour à vide ou un puits.

Deux cas peuvent être distingués : le micro-g temporaire, où après un certain temps la surface de la Terre est ou serait atteinte, et le micro-g indéfini.

Un environnement micro-g temporaire existe dans un tube de descente (dans une tour ou un puits), un vol spatial sous-orbital , par exemple avec une fusée-sonde , et dans un avion tel qu'utilisé par le programme de recherche sur la gravité réduite de la NASA , alias le Vomit Comet , et par Zero Gravity Corporation . Un environnement micro-g temporaire est appliqué pour la formation des astronautes, pour certaines expériences, pour le tournage de films et à des fins récréatives.

Un environnement micro-g pendant une durée indéterminée, tout en étant également possible dans un vaisseau spatial allant à l'infini sur une orbite parabolique ou hyperbolique, est plus pratique sur une orbite terrestre. C'est l'environnement couramment rencontré dans la Station spatiale internationale , la navette spatiale , etc. Bien que ce scénario soit le plus adapté à l'expérimentation scientifique et à l'exploitation commerciale, il reste assez coûteux à exploiter, principalement en raison des coûts de lancement.

Accélération de marée et d'inertie

Les objets en orbite ne sont pas parfaitement en apesanteur en raison de plusieurs effets :

  • Effets en fonction de la position relative dans le vaisseau spatial :
    • Parce que la force de gravité diminue avec la distance, les objets de taille non nulle seront soumis à une force de marée , ou une traction différentielle, entre les extrémités de l'objet les plus proches et les plus éloignées de la Terre. (Une version extrême de cet effet est la spaghettification .) Dans un vaisseau spatial en orbite terrestre basse (LEO), la force centrifuge est également plus grande du côté du vaisseau spatial le plus éloigné de la Terre. À une altitude LEO de 400 km, le différentiel global de force g est d'environ 0,384 μ g / m.
    • La gravité entre le vaisseau spatial et un objet à l'intérieur de celui-ci peut faire "tomber" lentement l'objet vers une partie plus massive de celui-ci. L'accélération est de 0,007 μg pour 1000 kg à 1 m de distance.
  • Effets uniformes (qui pourraient être compensés) :
    • Bien qu'extrêmement mince, il y a de l'air à des altitudes orbitales de 185 à 1 000 km. Cette atmosphère provoque une minuscule décélération due au frottement. Cela pourrait être compensé par une petite poussée continue, mais en pratique, la décélération n'est compensée que de temps en temps, de sorte que la petite force g de cet effet n'est pas éliminée.
    • Les effets du vent solaire et de la pression de rayonnement sont similaires, mais dirigés loin du Soleil. Contrairement à l'effet de l'atmosphère, il ne diminue pas avec l'altitude.
  • Autres effets :
    • Activité de routine de l'équipage : en raison de la conservation de l'élan , tout membre d'équipage à bord d'un vaisseau spatial poussant contre un mur fait bouger le vaisseau spatial dans la direction opposée.
    • Vibration structurelle : les contraintes exercées sur la coque de l'engin spatial entraînent la flexion de l'engin spatial, provoquant une accélération apparente.

Applications commerciales

Sphères métalliques

Dans une tour de tir (désormais obsolète), du métal en fusion (comme du plomb ou de l' acier ) coulait à travers un tamis en chute libre. Avec une hauteur suffisante (plusieurs centaines de pieds), le métal serait suffisamment solide pour résister aux chocs (généralement dans un bain d'eau) au bas de la tour. Alors que le plomb peut avoir été légèrement déformé par son passage dans l'air et par impact au fond, cette méthode a produit des sphères métalliques d'une rondeur suffisante pour être utilisées directement dans les cartouches de fusil de chasse ou pour être affinées par un traitement ultérieur pour des applications nécessitant une plus grande précision.

Cristaux de haute qualité

Bien qu'il ne s'agisse pas encore d'une application commerciale, on s'est intéressé à la croissance de cristaux en micro-g, comme dans une station spatiale ou un satellite artificiel automatisé , dans le but de réduire les défauts du réseau cristallin. De tels cristaux sans défaut peuvent s'avérer utiles pour certaines applications microélectroniques et également pour produire des cristaux pour la cristallographie aux rayons X ultérieure .

Effets sur la santé de l'environnement micro-g

Le mal des transports de l'espace

Six astronautes qui s'entraînaient au Johnson Space Center depuis près d'un an reçoivent un échantillon d'un environnement micro-g

On pense que le mal des transports spatial (SMS) est un sous-type de mal des transports qui touche près de la moitié de tous les astronautes qui s'aventurent dans l'espace. Les SMS, ainsi que la congestion faciale due aux mouvements de fluides vers la tête, les maux de tête et les maux de dos, font partie d'un ensemble plus large de symptômes qui comprennent le syndrome d'adaptation à l'espace (SAS). Le SMS a été décrit pour la première fois en 1961 lors de la deuxième orbite du quatrième vol spatial habité lorsque le cosmonaute Gherman Titov à bord du Vostok 2 , a décrit se sentir désorienté avec des plaintes physiques principalement compatibles avec le mal des transports. C'est l'un des problèmes physiologiques les plus étudiés des vols spatiaux, mais il continue de poser une difficulté importante à de nombreux astronautes. Dans certains cas, cela peut être si débilitant que les astronautes doivent s'absenter de leurs tâches professionnelles prévues dans l'espace - y compris manquer une sortie dans l'espace pour laquelle ils ont passé des mois à s'entraîner. Dans la plupart des cas, cependant, les astronautes surmonteront les symptômes même avec une dégradation de leurs performances.

Malgré leurs expériences dans certaines des manœuvres physiques les plus rigoureuses et les plus exigeantes sur terre, même les astronautes les plus expérimentés peuvent être affectés par les SMS, entraînant des symptômes de nausées sévères, de vomissements en projectile , de fatigue , de malaise (sensation de malaise) et de maux de tête . Ces symptômes peuvent survenir si brusquement et sans aucun avertissement que les voyageurs spatiaux peuvent vomir soudainement sans avoir le temps de contenir les vomissements, entraînant de fortes odeurs et du liquide dans la cabine qui peuvent affecter les autres astronautes. Certains changements dans les comportements liés aux mouvements oculaires peuvent également se produire à la suite de SMS. Les symptômes durent généralement entre un et trois jours lors de l'entrée en apesanteur, mais peuvent se reproduire lors de la rentrée dans la gravité terrestre ou même peu de temps après l'atterrissage. Le SMS diffère du mal des transports terrestre en ce que la transpiration et la pâleur sont généralement minimes ou absentes et que les signes gastro-intestinaux démontrent généralement l'absence de bruits intestinaux indiquant une motilité gastro-intestinale réduite .

Même lorsque les nausées et les vomissements disparaissent, certains symptômes du système nerveux central peuvent persister, ce qui peut dégrader les performances de l'astronaute. Graybiel et Knepton ont proposé le terme « syndrome de sopite » pour décrire les symptômes de léthargie et de somnolence associés au mal des transports en 1976. Depuis lors, leur définition a été révisée pour inclure «... un complexe de symptômes qui se développe à la suite d'une exposition à de vrais ou un mouvement apparent et se caractérise par une somnolence excessive, la lassitude, la léthargie, une légère dépression et une capacité réduite à se concentrer sur une tâche assignée." Ensemble, ces symptômes peuvent constituer une menace importante (bien que temporaire) pour l'astronaute qui doit rester attentif aux questions de vie ou de mort à tout moment.

Le SMS est le plus souvent considéré comme un trouble du système vestibulaire qui survient lorsque les informations sensorielles du système visuel (vue) et du système proprioceptif (posture, position du corps) entrent en conflit avec des informations mal perçues provenant des canaux semi-circulaires et des otolithes dans le oreille interne. C'est ce qu'on appelle la «théorie de l'inadéquation neuronale» et a été suggérée pour la première fois en 1975 par Reason et Brand. Alternativement, l'hypothèse du déplacement des fluides suggère que l'apesanteur réduit la pression hydrostatique sur le bas du corps, provoquant le déplacement des fluides vers la tête depuis le reste du corps. On pense que ces déplacements de liquide augmentent la pression du liquide céphalo-rachidien (provoquant des maux de dos), la pression intracrânienne (provoquant des maux de tête) et la pression du liquide de l'oreille interne (provoquant un dysfonctionnement vestibulaire).

Malgré une multitude d'études à la recherche d'une solution au problème des SMS, celui-ci reste un problème permanent pour les voyages spatiaux. La plupart des contre-mesures non pharmacologiques telles que l'entraînement et d'autres manœuvres physiques ont offert des avantages minimes. Thornton et Bonato ont noté: "Les efforts d'adaptation avant et en vol, certains d'entre eux obligatoires et la plupart onéreux, ont été, pour la plupart, des échecs opérationnels." À ce jour, l'intervention la plus courante est la prométhazine , un antihistaminique injectable aux propriétés antiémétiques, mais la sédation peut être un effet secondaire problématique. D'autres options pharmacologiques courantes incluent le métoclopramide , ainsi que l'application orale et transdermique de scopolamine , mais la somnolence et la sédation sont également des effets secondaires courants de ces médicaments.

Effets musculo-squelettiques

Dans l'environnement spatial (ou en microgravité), les effets du déchargement varient considérablement d'un individu à l'autre, les différences entre les sexes aggravant la variabilité. Les différences de durée de mission et la petite taille de l'échantillon d'astronautes participant à la même mission ajoutent également à la variabilité des troubles musculo -squelettiques observés dans l'espace. En plus de la perte musculaire, la microgravité entraîne une augmentation de la résorption osseuse , une diminution de la densité minérale osseuse et une augmentation des risques de fracture. La résorption osseuse entraîne une augmentation des taux urinaires de calcium , ce qui peut par la suite entraîner un risque accru de néphrolithiase .

Au cours des deux premières semaines où les muscles sont déchargés du poids du corps humain pendant le vol spatial, l'atrophie musculaire entière commence. Les muscles posturaux contiennent des fibres plus lentes et sont plus sujets à l'atrophie que les groupes musculaires non posturaux. La perte de masse musculaire se produit en raison de déséquilibres dans la synthèse et la dégradation des protéines. La perte de masse musculaire s'accompagne également d'une perte de force musculaire, qui a été observée après seulement 2 à 5 jours de vol spatial lors des missions Soyouz-3 et Soyouz-8 . Des diminutions de la génération de forces contractiles et de la puissance musculaire totale ont également été observées en réponse à la microgravité.

Pour contrer les effets de la microgravité sur le système musculo-squelettique, l'exercice aérobique est recommandé. Cela prend souvent la forme de cyclisme en vol. Un régime plus efficace comprend des exercices de résistance ou l'utilisation d'un costume de pingouin (contient des bandes élastiques cousues pour maintenir une charge d'étirement sur les muscles anti-gravité), une centrifugation et des vibrations. La centrifugation recrée la force gravitationnelle de la Terre sur la station spatiale, afin d'éviter l'atrophie musculaire . La centrifugation peut être effectuée avec des centrifugeuses ou en cyclant le long de la paroi interne de la station spatiale. Il a été constaté que les vibrations du corps entier réduisent la résorption osseuse par des mécanismes qui ne sont pas clairs. La vibration peut être délivrée à l'aide d'appareils d'exercice qui utilisent des déplacements verticaux juxtaposés à un point d'appui, ou à l'aide d'une plaque qui oscille sur un axe vertical. L'utilisation d' agonistes bêta-2 adrénergiques pour augmenter la masse musculaire et l'utilisation d'acides aminés essentiels en conjonction avec des exercices de résistance ont été proposées comme moyens pharmacologiques de lutte contre l'atrophie musculaire dans l'espace.

Effets cardiovasculaires

L'astronaute Tracy Dyson parle d'études sur la santé cardiovasculaire à bord de la Station spatiale internationale.

A côté du système squelettique et musculaire, le système cardiovasculaire est moins sollicité en apesanteur que sur Terre et se déconditionne lors de séjours plus longs dans l'espace. Dans un environnement régulier, la gravité exerce une force vers le bas, créant un gradient hydrostatique vertical. En position debout, du liquide « en excès » réside dans les vaisseaux et les tissus des jambes. Dans un environnement micro-g, avec la perte d'un gradient hydrostatique , une partie du liquide se redistribue rapidement vers la poitrine et le haut du corps ; détectée comme une « surcharge » du volume sanguin circulant. Dans l'environnement micro-g, le volume sanguin excédentaire nouvellement détecté est ajusté en expulsant l'excès de liquide dans les tissus et les cellules (réduction de volume de 12 à 15 %) et les globules rouges sont ajustés à la baisse pour maintenir une concentration normale ( anémie relative ). En l'absence de gravité, le sang veineux se précipitera vers l' oreillette droite car la force de gravité n'attire plus le sang dans les vaisseaux des jambes et de l'abdomen, ce qui entraîne une augmentation du volume d'éjection systolique . Ces changements de fluides deviennent plus dangereux lors du retour à un environnement gravitationnel normal, car le corps tentera de s'adapter à la réintroduction de la gravité. La réintroduction de la gravité tirera à nouveau le liquide vers le bas, mais il y aurait maintenant un déficit à la fois en liquide circulant et en globules rouges. La diminution de la pression de remplissage cardiaque et du volume d'éjection systolique pendant le stress orthostatique en raison d'une diminution du volume sanguin est à l'origine de l'intolérance orthostatique . L'intolérance orthostatique peut entraîner une perte temporaire de conscience et de posture, en raison du manque de pression et de volume d'éjection systolique. Certaines espèces animales ont développé des caractéristiques physiologiques et anatomiques (telles qu'une pression artérielle hydrostatique élevée et un cœur plus proche de la tête) qui leur permettent de contrer la pression artérielle orthostatique. Une intolérance orthostatique plus chronique peut entraîner des symptômes supplémentaires tels que des nausées , des problèmes de sommeil et d'autres symptômes vasomoteurs.

De nombreuses études sur les effets physiologiques de l'apesanteur sur le système cardiovasculaire sont réalisées en vols paraboliques. C'est l'une des seules options réalisables à combiner avec des expériences humaines, faisant des vols paraboliques le seul moyen d'étudier les véritables effets de l'environnement micro-g sur un corps sans voyager dans l'espace. Les études de vol parabolique ont fourni un large éventail de résultats concernant les changements du système cardiovasculaire dans un environnement micro-g. Les études de vol parabolique ont amélioré la compréhension de l'intolérance orthostatique et de la diminution du flux sanguin périphérique subie par les astronautes revenant sur Terre. En raison de la perte de sang à pomper, le cœur peut s'atrophier dans un environnement micro-g. Un cœur affaibli peut entraîner un faible volume sanguin, une pression artérielle basse et affecter la capacité du corps à envoyer de l'oxygène au cerveau sans que l'individu ne devienne étourdi. Des troubles du rythme cardiaque ont également été observés chez les astronautes, mais il n'est pas clair si cela était dû à des conditions préexistantes d'effets d'un environnement micro-g. Une contre-mesure actuelle consiste à boire une solution saline, ce qui augmente la viscosité du sang et augmenterait par la suite la pression artérielle, ce qui atténuerait l'intolérance orthostatique de l'environnement post-micro-g. Une autre contre-mesure comprend l'administration de midodrine , qui est un agoniste adrénergique alpha-1 sélectif. La midodrine produit une constriction artérielle et veineuse entraînant une augmentation de la pression artérielle par les réflexes des barorécepteurs.

Voir également

Références

Liens externes